（机械电子工程专业论文）面向制造系统的仿真平台研究与开发.pdf

摘要 本文致力于面向制造系统的仿真平台研究与开发。首先介绍了制造业的特点以及 仿真技术应用现状。其后通过分析现存的仿真系统缺点，提出了面向制造系统的仿真 平台的设想。最后应用面向对象的分析方法给出了面向制造系统的仿真平台的具体实 施方案。文中，在基本体系结构设计中，引入了分布式计算领域的“代理对象”这一 先进观念，实现了仿真平台的分布式体系架构。提出智能控制、分级系统状态表、非 集中化的控制调度模型、系统数据管理器等新概念并进行一定深度的探讨。 关键词：制造系统：仿真平台；面向对象；代理对象；智能控制 s u m m a r y i nt h i s a r t i c l e ，t h e r e s e a r c ha n d d e s i g n o fa m a n u f a c t u r i n g s y s t e m o r i e n t e ds i m u l a t i o np l a t f o r mi se x p l o r e d a t f i r s tt h ef e a t u r e so f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n di nw h i c ht h ee x i s t i n ga p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u e o fs i m u l a t i o ni si n t r o d u e e d t h e nb ym e a n so fa n a l y z i n gt h ew e a k n e s so ft h e e x i s t i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ，ac o n c e p to f a m a n u f a c t u r i n gs y s t e m - o r i e n t e d s i m u l a t i o np l a t f o r mi sp u tf o r w a r d a tl a s ti t sd e t a i l e dd e s i g ni so f f e r e d i n t h i sa r t i c l e ，a g e n t ，w h i c hi san e wt e c h n i q u ei nt h ef i e l do fd i s t r i b u t e d c o m p u t i n g i si n t r o d u c e di nt h e d e s i g n o ft h ed i s t r i b u t e df u n d a m e n t a l a r c h i t e c t u r e m e a n w h i l es u c hn e wc o n c e p t sa sa ic o n t r o l ，h i e r a r c h i c a lt a b l eo f s y s t e ms t a t u s ，d e c e n t r a l i z e dc o n t r o lm o d e l ，s y s t e md a t as u p e r v i s o r a r ep u t f o r w a r d a n do nw h i c hd i s c u s s i o ni nd e t a i li so f f e r e d k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；s i m u l a t i o np l a t f o r m ；o b j e c t o r i e n t e d ；a i c o n t r o l i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现代制造及其技术 1 1 1 现代制造及其技术的形成和发展特点 社会发展和市场发展以及生活质量的提高向制造业提出了新的需求，而科学 和技术的进步为制造业的革命提供了理论和技术条件。特别是现代数学、系统论、 控制论和信息论等理论和学科的创建和进展，新材料技术、数控技术、微电子技 术和自动化技术的提出和发展，使传统制造及其制造体系，在2 0 世纪开始向现代 制造及其技术体系发展，其过程呈现如下特点： l ，在制造的生产规模上，从单件小批量一少品种大批量一多品种变批量的发展； 2 在生产方式上，呈现出从劳动密集型一设备密集型一信息密集型一知识密集 型： 3 制造装备的发展过程是手工一机械化一单机自动化一刚性自动化一柔性自动 化一智能自动化； 4 在制造技术和工艺方法上，现代制造在发展中，其特征表现为：重视必不可少 的辅助工序，如加工前后处理；重视工艺设备，使制造技术成为集工艺方法、 工艺装备和工艺材料为一体的成套技术；重视物流、检验、包装及储藏，使制 造技术成为覆盖加工全过程的综合技术，不断发展优质高效低耗的工艺及加工 方法，以取代落后工艺，不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果， 形成c a d ，c a m ，c a p p ，c a t ，c a e ，n c ，c n c ，m i s ，f m s ，c i m s ，i m t ，i m s 等一 系列现代制造技术，并实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生 产线等不同档次的自动化制造系统： 5 引入工业工程和并行工程概念，强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和 管理有机地结合在起，引入先进的管理模式，使制造技术及制造过程成为覆 盖整个产品生命周期，包含物质流、能量流和信息流的系统工程： 6 覆盖全生产过程( 设计、生产准备、加工制造、销售和维护，甚至再生回收) 。 1 1 2 制造系统 为了有效地完成特定的制造任务，制造公司必须将人力、设备组合成一个系 统，而产品的制造则看作是人、设备组合并协同操作的结果，因此我们可以定义 制造系统是一个人与设备的组合，这个组合受到制造材料流和信息流的约束。制 造系统是一个复杂系统，其复杂性体现在以下三个方面： 1 多样性：没有两个制造企业是完全一样的，多样性的原因一是制造产品的多样 性导致需要不同的制造系统来完成特定制造任务；二是技术的快速发展，对于同 一产品，今天设计的制造系统，就会不同于五年前设计的制造系统。 面向制造系统的仿真平台研究与开发 2 复杂子系统：广义的制造系统包含着许多复杂交互作用的子系统，如产品开发 子系统、生产管理子系统和财务子系统等，这些子系统间以一种十分复杂的关系 进行作用。 3 多层次性：制造系统包含多个相互作用的层次，如组织管理层次和技术层次、 材料流层次、信息流层次和能量流层次。每个层次还可细分，如在技术层次又可 细分为信息层次、工艺层次等，这些属于不同学科的层次相互作用构成了复杂的 制造系统。 1 1 3 制造系统的组成与分类 大量的实践使得人们认识到针对不同的特定制造任务，需要不同类型的制造 系统，有许多方法可以对制造系统进行分类，比如按生产批量、布局方式等。 目前的制造系统一般呈现三种布局方式：功能布局、项目布局、流水线。其 中流水线是当前应用较广泛的一种布局方式。 一 l 单元 回固 广一 单元 争兰s 令 工人 图卜1 流水线 如图所示：在流水线布局方式中，机床( 装备) 按照 工艺所要求的序列排列，一个零件的制造工作被分解成一个个小的工序而安排到 每台机床( 设备) 上，机床之间通过传输系统连接，如传输带，也可简单地通过 v 口十 人 一 工 ，厨 口口 南京航空航天大学硕士学位论文 手工搬运。这类布局方式往往只能生产一种零件，或者一组工艺非常相似的零件。 当从一种零件改成生产另一种零件时往往需要几个班次，为了充分利用流水线中 的各台高效设备，通常要求产品有很大的批量。 如果按照传输线( 物流系统) 的不同，流水线可为三类： ( 1 ) 连续传输线：传输线以恒定速度连续运行，当零件和传输线固定时，操 作工人必须跟着线走进行操作。当零件可以从传输线上拿下时，操作人员的负 担相对较轻，因为他不必在规定时问内完成工作： ( 2 ) 同步传输线：整个传输线间断运行，在运行的间歇期中，操作工人或设 备完成预定工作，这种刚性节奏使得工人象工作线上的机器； ( 3 ) 异步传输线：传输线间断运行，每个单元的传输运动相对独立，这类线 一般要求每个工作台有一定的缓存容量，使得工人作业时间的变化被均化。 ( 4 ) 成组布局( c e l l u l a rs y s t e m ) ：如图所示： 设备 人口出口 图卜2 成组布局 成组布局源于成组技术思想，机床或设备按照成组工艺分组，每一组设备可 以用来生产一个零件族的零件，不同的零件可以按不同的工艺路径，有不同的材 料流。对于一个成组布局的生产系统，通过将工艺路径限制在一个成组布局的子 系统内，使工艺规划与生产调度可以针对特定成组布局子系统独立考虑，从而简 化了工艺规划与生产调度。与功能布局方式相比，成组布局的零件传输路径较短， 生产率较高。 最典型的成组布局系统是柔性制造系统( f m s ) 。一个柔性制造系统能够：1 ) 以非批量的方式加工不同的零件；2 ) 接受生产计划的改变；3 ) 对系统内装备失 效做出有效的响应。其组成包括硬件和软件的集成，如图所示： 3 面向制造系统的仿真平台研究与开发 l1 警序h 警序 系统管理 ii 工件控制传输控制机器控制刀具管理生产控制 ili 圆圈圈圈 ( 一x ) i ” i ( x x k 图卜3f m s 的软硬件集成 硬件系统通常包括工作站、物流系统和中心控制计算机；软件系统通常包括 一组模块。 1 2 现代制造业对制造系统的需求 如今的市场情况难以预测，它要求工厂具有在制品库存量小、生产设备利用 率高以及快速投入新产品的能力，对需求的变化具有应变能力以及使己停产的产 品易于恢复生产的能力等等。 1 3 本文研究背景和研究内容 正如制造业是国民经济的基石，包括f m s 在内的制造系统是制造型企业的基 石，它为企业的发展和竞争力提供了硬件的支持。而由于制造系统本身固有的特 性，使得它成为一项投资大，风险高的技术。要充分发挥其潜在优势，就必须在 制造系统的设计规划阶段对其全面深入地分析研究，在运行阶段正确计划调度， 仿真技术是实现上述目标的重要工具。 过去，大多数仿真软件采用结构化程序设计方法设计，这些软件普遍存在建 模难、重用性差等缺点。鉴于此，近年来，面向对象的设计方法逐步被运用到仿 南京航空航天大学硕士学位论文 真软件设计中，面向对象的方法由于对象直接映射到问题空间中物理实体，并且 应用抽象和封装概念，以及对象的继承结构，使得所开发的软件能够灵活地适应 需求的变化，能解决用过程语言编写的软件所存在的问题。 但近年来的运行经验表明，在包括d i s 在内的制造系统仿真的这方面出现了 许多令人感到棘手的问题，主要有以下几个方面： ( 1 ) 扩展能力差，难以维护，制造环境的较小改变，可能会引起对原有软件编 码的很大修改，甚至要全部重新编码。 ( 2 ) 可重用性差，很多制造系统的仿真软件是针对特定的环境设计的，而实际 的制造环境和生产设备多种多样。 ( 3 ) 仿真多是在一台计算机上运行，它忽略了许多在真实生产中的实际情况， 如各实体间相互通讯问题，控制问题等，不能很好地模拟真实系统。 在这种情况之下，笔者提出一种面向制造系统的分布式仿真平台概念。它的 实现将较好地解决目前制造系统仿真问题。 本文的研究目的是把面向对象的思想应用到制造系统的仿真应用中，通过相 对成熟的相关计算机技术进行了面向制造系统的分布式仿真平台的研究和开发。 第一章概述了现代制造技术及其发展，探讨了现代制造业对仿真的需求，并 指出了本课题的研究内容和目标。 第二章针对目前制造业中仿真技术现状，阐述了面向制造系统的仿真平台的 概念和基本结构。 第三章研究了面向制造系统的仿真平台系统的设计，并对系统的功能模块做 了说明。 第四章对本系统的功能模块的开发和关键技术作了具体的说明。 第五章详细阐述了面向制造系统的仿真平台的设计开发，并对控制调度、通 讯部分的软件开发作了详细的说明。 第六章对全文进行了总结，并对课题的进一步研究提出了一些建议和改进的 方法。 面向制造系统的仿真平台研究与开发 第二章面向制造系统的仿真平台概述 2 1 制造系统的柔性 从本世纪初，成本和生产率一直是制造最重要的目标。然而近几十年来，一 方面随着生活水平的提高，人们对产品个性化提出越来越高的要求，这使得新的 制造系统不得不应付多品种小批量的生产；而另一方面市场的快速变化，使生产 对象的不确定性大为增加，这些都对制造系统提出了新的要求，即柔性。柔性要 素一方面对制造系统的竞争力有着极为重要的影响，是2 0 世纪9 0 年代制造系统 研究中最活跃的要素，如：可重组制造、精良生产和敏捷制造的概念都与柔性要 素有着密切关系；但另一方面，却缺少一个一致而明确的定义，不同的人从不同 的角度有着不同的定义。柔性的定义有着两类不同的思路，一些人从柔性这个词 的本意出发，另一些研究者则从别的学科进行衍生定义 m a r i o t t i 从控制论的角度给出了柔性的定义：在外部状态发生改变时，系统 保持现有状态的能力，这时柔性可被理解成一种适应能力。l e e u w 进一步发展了 这种定义，他认为柔性可被看作是一个二维概念。第一，柔型看作是一个管理任 务，目标是应付环境改变的控制能力的可扩展性，即系统组织是控制对象，而环 境被看作是目标，因此柔性意味着成功控制环境的能力：第二，柔性可看作是一 个组织设计任务，目标是组织的可控性，即环境是控制对象，组织是目标，这时 高柔性就是针对环境的低可控性。这种二维的概念产生了一悖论，这个悖论意味 着组织柔性必须混合保持和改变两个方面。 s l a c k 等认为柔性是系统具有的一种通用的适应和改变能力，它所关心的是 可达状态的范围、到达状态的时间和要求的不确定性。他们进一步将柔性分为范 围柔性和响应柔性，前者反映柔性的静态方面，后者则反映柔性的动态方面。 s t i g l e r 等则从经济的角度提出柔性与短期成本曲线有着密切关系，成本曲 线( 成本随着状态改变的曲线) 越平缓，则柔性越好。 z e l e n o v i c h 等定义柔性是制造系统适应环境和过程改变的能力，在这个定义 中提出了柔性的内生和外生性能，外部柔性来自市场的要求，内部柔性来自工艺 过程的技术革新。 n e w m a n 等则将柔性定义为对付不确定性的基本手段，他们将柔性和不确定性 的平衡过程看作是一个天平，天平的一端表示柔性，另一端表示内部( 如设备故 障) 和外部( 如市场要求) 不确定性，平衡支点通过改变制造系统中的缓冲能力 ( 增加库存，加长交货期) 而移动。所以当不确定性增加时，可以通过增加柔性 ( 如更好的企业和生产集成) 而平衡，也可通过移动支点( 如增加备品) 来平衡。 内部和外部不确定性两者并非完全独立，因为外部不确定性增加时，通过改变支 点，如增加缓冲区，而增加系统的柔性和平衡，但这同时也增加了制造系统的复 6 南京航空航天人学硕士学位论文 杂性，是内部不确定性增加。 1 产品柔性 使制造系统能够在同样的设备中生产不同种类的产品。从短期看，它具有经 济地进行小批量生产以适应产品改变的能力；从长期看，这意味着系统内的装备 可以被用于多个产品生命周期，这增加了投资效率。 2 操作柔性 可用不同的机床、材料、工步和工艺完成产品生产的能力，它是单元工艺柔 性、装备柔性、产品设计柔性和制造系统本身的结构柔性的结果。它提供故障柔 性，在设备出现故障时，仍然保持生产水平，这对大批量生产具有极为重要的意 义。 3 能力柔性 允许制造系统为满足变化的市场要求而改变各种产品的生产批量并保持赢 利，它被看作是一种扩展能力。 有大量的方法来定量测度柔性，如用单位生产准备时间里生产零件的个数这 个指标来测度设备柔性等。 2 2 面向制造系统的仿真平台基本构想 2 2 1 制造系统资源分布 制造资源是为完成特定的制造任务而需要的那些东西，主要包括材料、人、 技术、设备、信息、资金、能源和时间。 图2 一l 为一个制造企业的布局图 田 l 公司管理销售与客户 l 部服务部 图2 1 一个制造系统的资源布局图 面向制造系统的仿真平台研究与开发 大量的实践使得人们认识到针对不同的特定制造系统资源，需要不同类型的 制造系统。相应需要有与之相适应的控制仿真软件。这就涉及到一个仿真系统的 易扩充和可重构的问题。可称为仿真柔性。 2 2 2 面向对象的系统建模 1 系统建模与系统柔性 在通常进行系统仿真时，我们会遵循以下步骤： 一对特定制造系统进行归纳和抽象，建立其数学模型。 二针对数学模型，设计仿真算法。 三完善其他软件模块，构造完整的仿真系统。 在设计过程中，可以对功能模块进行尽可能细致的划分，以达到在微度上的 软件模块的可更替性从而获得一定的仿真柔性，。但是一直以来，这种方法都不能 获得很好的效果。 要改善仿真系统的柔性，最关键的似乎在于仿真算法的设计，因为对于不同 的制造系统，需要变动最大的软件模块是仿真算法。故此有大量的研究精力投入 到了这一领域，也提出了一系列新的控制调度方法和理论。然而，事实证明仿真 系统的柔性并没有因此而得到明显提高。 事实上，由于仿真算法的设计完全基于系统数据模型，所以仿真算法基本上 是由系统数据模型所决定，系统数据模型一旦建立完成，它的结构和内容就决定 了仿真算法的基本框架和内容。仿真算法本身已没有多大更改空间。由此可知， 系统如何建模才是决定仿真系统柔性的关键因素。 1 面向对象设计方法( o o p ) 较早的软件开发，用结构化程序设计方法。程序的定律是： 程序= ( 算法) + ( 数据结构) 即算法是一个独立的整体，数据结构( 包含数据类型与数据) 也是一个独立 的整体。两者分开设计，以算法( 函数或过程) 为主。 随着时间的流逝，软件工程师越来越注重于系统整体关系的表示和数据模型 技术( 把数据结构与算法看作是一个独立功能模块) 。程序定律被重新认识： 程序= ( 算法+ 数据结构) 这就是面向对象程序设计的基础，即算法与数据结构是一个整体，算法总是 离不开数据结构，算法含有对数据结构的访问，算法只能适用于特定的数据结构。 因此设计一个算法访问适合于访问多个数据结构是不明智的，而且数据结构由多 个算法来对其进行同种操作也是多余的。 在面向对象中，算法与数据结构被捆绑成一个类，从这样的角度看问题，就 不用为如何实现通盘的程序功能而费尽心机了。现实世界本身就是一个对象的世 界，任何对象都具有一定的属性与操作，也就总能数据结构与算法两者合一地来 南京航空航天大学硕士学位论文 描述。这时候，程序定律被再次另眼相看： 对象= ( 算法+ 数据结构) 程序= ( 对象+ 对象+ ) 在面向对象中，程序就是许多对象在计算机中相继表现自己。 针对于系统中各相应实体进行分析设计各个类，并将实现的各个类的一系列 实例对象有机地组合在一起，便构成了相应的系统模型。 2 面向对象的制造系统模型建立 面向对象程序设计的重点在于对象，是对象构成了程序，而不是函数和数据。 一个对象可以表达真实生活中的某个概念，诸如汽车或太阳系，也可以表达更为 抽象的东西，像数字栈或者排序引擎等。每一个对象都有一套定义明确的能力， 如一辆汽车可以启动、停止和转弯，而一个栈则可以推入或者弹出数据等。每个 对象就是对应各自真实存在的实体经过抽象之后得到的一个数据结构。 使用面向对象的程序设计方法，就是把要构成的系统表示成对象集。各对象 既具有状态( 属性) ，同时又具备相应的操作。对象就是通过自身的状态( 属性) 来表现自己，而通过自身操作与系统中其他对象进行信息交互。 对象的一大特点就是其封装性。对象的外部接口使外界只能知道对象的外部 特征，即具有那些处理能力。外界对此对象内部数据的访问受到由对象本身所定 义的访问权限所限制。这样就使得软件系统的可靠性和可维护性大为改善。 由于对象是自主的、独立活动的实体，对象间通过传递消息相互作用，任何 时刻任意两个对象间只要没有消息传递，二者就可以并行活动，所以对象模型从 本质上就便于描述并发事件。建立在对象模型基础上的c + + 程序设计语言能够自 然而充分地开发问题领域中的并发性。 对于制造系统中的同一类实体，通过分析设计得到相应的类，类中包含了该 类实体所具备的属性和操作方法。系统实际运行中，该类的每一实例对象都可对 应制造系统中的某一实体。该类不同的实例对象有着共同的界面，但内部数据结 构中的值却又各不相同，所以对象是共性与个性的统一。 由于使用了面向对象程序设计方法，使得整个软件实现变得简单易行。整个 仿真系统可以由创建相关对象并使得它们协调工作而构成。关键问题在于如何对 制造系统中的各实体进行对象抽象。 正是在此基础上，尝试设计开发一种面向制造系统的通用化的仿真平台，它 将有效地解决目前制造系统仿真中存在的诸多问题。 2 2 3 面向制造系统的仿真平台概述 面向制造系统的仿真平台是一个具有适应不同模型能力的仿真环境。建模框 架和仿真算法具有广泛的适应性，扩展性。同时建模框架所容纳的模型应具有良 好的可重用性。 9 面向制造系统的仿真平台研究与开发 图2 2 是f m s 控制系统的常见的软件功能模块图 图2 2f m s 控制系统各模块之间的关系 如图2 2 所示，这是一个典型的按功能模块划分的结构化设计方法设计开发 的软件系统，各功能模块连接较紧密，彼此依赖性较大，系统的可扩充性和可重 构性较差。 如果单纯从模块功能设计方面入手进行考虑，试图修改模块结构进行更新设 计以改进系统性能，事实已经证明收效甚微。 从面向对象的角度来重新考虑系统结构。我们查看关键的数据流的走向： 模型数据通过模型文件载入到系统中。调度决策将通过对系统模型的状态辨 识进行正确调度。而显示与统计模块也是通过获取模型数据来实现自身功能。 事实上，经过仔细分析，可以知道系统各个功能模块其实并非直接与动态模 型打交道，而是如图2 - 3 所示： 在动态模型与各功能模块之间存在着一个系统数据区。在运行过程中，动态 模型本身的数据会与系统数据区进行交互，而同时各功能模块会从系统数据区读 写数据进行自身功能实现。在历来的制造系统仿真与控制软件设计中，系统数据 区都是存在的。但是没有进一步的改进。 南京航宅航天大学硕士学位论文 ，一、 系统数据 图2 3 控制系统数据流模型 如果将图2 - 3 略微改动如下，系统功能会有那些变化呢： 在实际仿真过程中，将需要各种不同的生产布局，相应会具有各种各样的设 备参数和布局参数，其结果如图2 - 3 中所示，每一个系统布局模型所携带的模型 数据都不同，由于系统数据区的数据是根据当前载入的系统模型临时产生的。导 致相应于不同的系统模型，系统数据区的数据数量和格式的多样性，从而使得调 度决策模块难以以统一的方式去访问系统数据，对于不同的数据不得不设计特定 的操作，这便是调度决策难扩充和难重构的根源。 图2 4 控制系统的数据流改进模型 如果在运行模型和调度决策之间添加一个系统数据管理模块，情况就大大改 观了。如图2 4 所示。通过系统数据管理模块，可以将运行模型的数据转化为某 种标准规范的数据形式。而调度决策模块的操作将会依据这种数据规范来进行设 计。这样就避免了调度决策模块直接操作特定运行模型的数据。当不同系统模型 载入时，调度决策模块不必进行操作修改。从而实现了调度决策模块对不同运行 模型的兼容性。 而系统数据管理模块便是面向制造系统仿真平台的基本内核。 以系统数据管理模块为基础，再抽象出一般仿真系统的共有部分，加上通讯 1 1 面向制造系统的仿真平台研究与开发 模块就构成了面向制造系统仿真平台的基本结构如图2 5 。仿真平台将包含一个 布局设计子系统。平台本身将作为仿真运行的主窗口，并实现网络通讯接口和规 则库调用接口。 仿真运行是以c 1 i e n t s e r v e r 方式进行的，对客户端的开发编译没有限制， 仅要求客户端的开发工具提供通过t c p i p 连接的c 1 i e n t s e r v e r 支持。这是因为 s e r v e r 和每个c 1 l e n t 之间的通讯都是通过t c p i p 端口实现的。端口连接既可在 网络间实现，也可在本机内实现。每个c l i e n t 都是独立的进程，通过给定的端口 和s e r v e r 连接。一个平台可以同时连接多个c l l e n t 。当c 1 i e n t 和平台连接上后， 所有的信息都通过这个端口传递。通过平台内置的命令解释程序，将c 1 i e n t 传送 的命令转换为相应的仿真执行指令。 平台本身拥有一个可视化界面，允许人们实时观看系统运行的仿真情况。 在仿真过程中，由平台本身调用的规则库和独立外接于平台的调度逻辑模块 来共同执行完整的运行调度。 l 规则库接口 l ll 控制调 度模块 阿未i 串 一机 串串 i ：三嚣对象仁专可视化界面 二二k 视化界面 加工中心计算机 图2 - 5 仿真平台体系结构 a g v 计算机 络 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章面向制造系统的仿真平台系统分析 3 1 制造系统制造过程分析 3 1 1 制造系统各实体的活动和属性 为了研究方便，假设有这样一个f m s ，如图3 一l 所示，其组成元素为两台加 工中心，一台有轨小车，一台装卸站，十个托架的托盘库。小车完成工件的传输， 其活动有： 口口口口口口口圈 图3 一l 假设f m s 布局 其活动有： ( 1 ) 装卸站_ 加工中心1 ( 2 ) 装卸站卜加工中心2 ( 3 ) 装卸站_ 托盘库( 共有l o 位置) ( 4 ) 加工中心l 加工中心2 ( 5 ) 加工中心1 _ 装卸站 ( 6 ) 加工中心1 + 托盘库( 共有l o 位置) ( 7 ) 加工中心2 ，加工中心1 ( 8 ) 加工中心2 装卸站 ( 9 ) 加工中心2 卜托盘库 ( 1 0 ) 托盘库( 共1 0 个位置) _ 加工中心1 ( 1 1 ) 托盘库( 共1 0 个位置) _ 加工中心2 面向制造系统的仿真平台研究与开发 ( 1 2 ) 托盘库( 共1 0 个位置) _ 装卸站 ( 1 3 ) 装零件 ( 1 4 ) 卸零件 加工中心完成把工件从入口拖入加工区，或从加工区把工件拖至出口，其活 动有： ( 1 5 ) 从交换台入口区拖到加工区 ( 1 6 ) 加工 ( 1 7 ) 从加工区拖到交换台出口区 另外，还有一些活动是看不见的，但它是系统不可缺少的，例如系统控制机 把零件相对应的n c 程序从数据库取出，传送到相应的加工中心数控系统，以便加 工中心加工零件用。系统控制机有两个活动： ( 1 8 ) 传送n c 程序给加工中心l ( 1 9 ) 传送n c 程序给加工中心2 各组成元素的属性如下： i )装卸站：有无托盘；有托盘，托盘上有无工件；是否加工完：故障。 2 )小车：忙；闲：故障。 3 )加工中心：加工区有无零件，是否加工完：交换台入口有无工件：交换台 出口有无工件；有无n c 程序；故障。 4 )托盘库：有无托盘：有无工件；工件已加工完，还是待加工。 3 1 2 活动状态周期、活动表和关联矩阵 图3 2 活动状态周期 在f m s 中，每一个活动在不同的时间段中，可处于不同的状态。状态集为 1 4 南京航卒航天大学硕士学位论文 就绪、排队、激发、运行、结束、等待。活动状态转换过程是一个固定循环，称 为活动状态周期，见图3 2 。 动态调度是按时间序列，控制所有活动在活动状态周期中运行，从而实现整 个系统的运行。在上述六种状态中，有三种是瞬态，即就绪、激发、结束，它对 应于三种事件的发生，即就绪事件，激发事件，结束事件。另外三种是常态，即 排队、运行、等待，在一段时间内该状态可持续不变。 3 1 3 活动表 活动表记录着各个活动被激发所需具备的条件，及活动当前所处的状态。因 而，根据活动表所记录的数据，就可以控制每个活动的状态。活动表可以看作是 一个二维数组，见表 表3 - 1 活动表 淤 123n ln 状态值活动条愀 状态值l 状态值2 状态值3 条件1 条件2 条件3 条件m l 条件m 注：n 为活动总数，m 为条件总数，且m l ，n l 正整数。 表中行为活动号，列为状态值和活动条件，表的内容为“1 ”或“0 ”。对于状 态值，其状态成立时为“l ”否则为“0 ”。对于条件，其条件成立时为“1 ”，不成 立时为“0 ”。状态值为1 是排队态，状态值为2 是运行态，状态值3 为等待态。 通过识别表中的内容，动态调度能够区别是就绪事件发生、是激发事件发生、还 是结束事件发生。每当一个活动激活和结束时，要对活动表进行更新，这是因为 一个活动的激活和结束时，要对活动表进行更新，这是因为一个活动的激活和结 ls 面向制造系统的仿真平台研究与开发 束改变了系统中某些元素的属性，从而可能会影响到关联活动的条件。正是由于 活动的不断激活和结束，推动了整个系统的运行。 以活动4 ( 加工中心l + 加工中心2 ) 为例来说明满足该活动的条件： 条件1 ：小车正常； 条件2 ：加工中心2 正常： 条件3 ：加工中心1 交换台出口不空； 条件4 ：小车闲； 条件5 ：加工中心2 交换台入口空。 只有当这五种条件都满足时，活动4 才有可能被激活。当然，不同的活动有 不同的条件要求，并且，其条件数量也各不相同。当活动4 被激活后，涉及到小 车，小车状态条件项将被设置为“忙”。当活动1 结束后，也涉及到小车，小车状 态条件项将被设置为“闲“。以此类推，其它活动与此类似 上述的活动表是目前常用的一种有效的用于控制调度的方法，但是并不完善。 例如： ( 1 ) 活动表的建立 可以通过手工输入建立活动表，但是效率太低，也不利于适应系统变化的要求。 ( 2 ) 活动表的查询 由于对活动表的查询是诸项进行的，由于时差上的关系，导致了下述问题： ( a ) 如在表3 - i 中，对活动号为4 的活动进行查询的过程中，首先查询条件i ， 假设其值为“真”，其后向下查询，当查询到条件m _ 1 时，这时由于系统中其他活 动的进行，条件l 已经相应发生了变化，其值变为“假”。这就会导致整个此次查 询失效，必须重新开始一次查询，而在新的查询中，类似的情况可能会再次发生， 这样恶性循环，导致系统调度缺乏可信度。假设可以同时启动m 一1 个查询，同时 查询m 一1 个数据项，便可以保证查询的可靠性，但是在软件设计上很难实现。 ( b ) 查询过程中，一次只能确定一个活动是否激活，不同活动之间的激活将会有间 隔，其间隔值等于一次查询的时间消耗。而在实际系统中，同时激活或者相隔时 间小于上述时间耗费被激活的活动比比皆是，这就导致了系统调度不能正确反映 系统实际需求。 ( 3 ) 活动表的维护 由于对活动表的维护是诸项进行的，同样由于时差上的关系，会导致状态值维护 的延误，例如：状态变化不能及时放映到活动表中。 ( 4 ) 冗余查询 对于特定活动号的活动，其涉及的激活条件是一定范围的，并不需要查询整个系 统状态。例如对于活动4 ，其所涉及的只是小车、加工中心1 、加工中心2 三者 的状态，与装卸站无关，所以对于装卸站状态的查询就是一个冗余查询。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 4 分级活动表 为了提供系统查询效率，减少冗余查询，可以将活动表分解为多级活动表， 这样在查询时，系统可以同时启动多个查询查询多个活动表，查询效率大大提高， 数据的时间错位率大大减低，查询的可信度大大提高。同时冗余查询相应大大减 少。其关键问题在于活动表如何进行分级划分。 此外活动表的建立也是一个棘手的问题。如果系统中的活动和属性比较复杂， 需要具有相关专业人士进行分析才能确定。由于活动表的建立直接依据这些活动 和属性，所以系统很难自动建立起活动表来。但是如果决定由专业技术人员进行 手工建立，那么系统的效率将大大降低，并且系统的灵活性显然得不到保证。 3 1 5 各种调度方法评述 解决调度问题的方法有运筹学方法、随机优化方法、网络排队方法、d e d s 理 论、控制理论、组合优化方法、仿真方法、优先规则和人工智能方法等。 运筹学方法的时间开销将随问题规模而呈指数增长，不能考虑系统环境和内 部结构的变化，不能用于动态调度和实时调度。随机优化方法结果是在一定时间 区域上的“平均值”，对于某些不频繁但可能出现的情况无能为力，当概率分布估 计不当时得到的结果相当粗糙，一般仅用于理论研究。网络排队方法的模型描述 尚不完善，只能用于静态调度和动态调度的研究上。d e d s 理论是专门为处理离散 事件动态系统而提出的，目前尚处初创时期，还未形成完善的理论体系和有效的 解决问题的方法。传统的控制理论方法对调度离散事件动态系统显得无能为力。 仿真方法通过对实际系统建模和对各种调度方案的计算机模拟，达到多种调度方 案的比较，进而确定较优的方案。它既可用于研究也可实际应用，对静态调度、 动态调度和实时调度都能适用。规则调度是最常用、最简便的调度方法，其计算 量小、实施方便，性能较平均性能为好，可用于静态调度、动态调度和实时调度。 人工智能方法利用知识表示技术把人的知识包含进出，并使用搜索技术力求给出 一个令人满意的解。目前用于调度的人工智能方法有问题求解方法、专家系统方 法、神经网络方法。人工智能方法设计起来耗时长，且技术上尚未成熟。所以一 般在制造系统调度中，我们常采用仿真方法与规则调度相结合的方法。 3 1 6 制造系统动态调度问题及动态调度决策规则 制造系统动态调度是将一定数量的工件分配给制造系统，每个工件要求由若 干台机床完成线性工序集合，要合理安排系统的具体加工工件，即按照一定规划 将系统承担的加工负荷计划分配给系统中机床在一定时间中的任务。动态调度是 在系统加工过程中进行的，它是根据系统当前的状态及预先给定的优先目标，动 态地安排零件的加工顺序，调度管理系统资源，保证零件加工程序的实现。 在系统中，某一时刻有可能有多个活动同时满足激活的条件，或者有些活动 17 面向制造系统的仿真平台研究与开发 要争用同一个资源，如果让一个活动发生，那么争用同一资源的其它活动就不能 发生。这里存在一个选择哪个活动发生的问题，以使系统的运行效率最优。 在实时的动态调度中，活动能否发生，是根据当时的系统状态条件而定的。 对确定哪个活动发生，也是根据当时的系统状态做出决策。在某一时刻做出的决 策，只能保证在当时最优，但对整个系统的整个制造过程来说并不一定最优。要 想做到整个系统的最优，那是非常困难的。因此，目前大都采用局部或某一时刻 为最优，来做出决策，通过局部优，某一时刻优，使整个系统，整个加工过程达 到较优。这是工程中常用的方法。 常用的决策规则如下： ( 1 ) 件投入规则 1 ) 每种零件批量比例关系。在加工各种零件时，当产品对零件有一定的装配 比例要求时，按比例关系分别投入各种工件，使产品能尽早装配，缩短产 品的生产周期； 2 ) 零件优先级。根据对零件需求的轻重缓急，给各种工件赋予不同的优先级， 优先级高的先投入，次高的后投入； 3 ) 夹具优先。根据f l s 系统中托盘上空闲的夹具所能装夹的工件，而投入该 种工件。 ( 2 ) 机床选择规则 1 ) 按机床的状态级别。以双交换台的加工中心为例，根据加工中心上，交换 台入口、交换台出口和加工区有无工件；以及加工区的工件加工完否，如 未加工完，所剩加工时间的长短等来划分机床所需求服务的级别。 ( 3 ) 机床刀库选择规则 1 ) 为等待急需用刀的机床之刀库优先服务，减少机床等待时间，使机床利用 率提高，提高系统生产率； 2 ) 为最接近用某一刀具，而机床刀库又无此刀具的机床刀库服务，以便使 机床加工能顺利进行。 ( 4 ) 工件选择规则 1 ) 最短加工时间。以最短加工时间的工件优先加工，减少工件在系统中的 平均流动时间； 2 ) 最大刀具相近原则。加工某工件所需刀具和该机床机附刀库刀具最接近的 工件优先加工，以减少刀具交换次数： ( 5 ) 工件传送设备选择规则 1 ) 就近原则。靠近服务对象的传送设备优先使用，以缩短路径，减少服务时 间； 2 ) 利用率最低原则。传送设备利用率最低的优先使用，以便平衡传送设备负 荷。 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 6 ) 刀具传送设备选择规则 与工件传送设备选择规则相同。 ( 7 ) 成品退出f m s 选择规则 1 ) 按工件加工完成时间。当装卸站空，而机床加工完某一工件后，该工件尽 量直接从机床送到装卸站，退出f m s ，而不将其拖入托盘库，从而减少工 件的多次传送，降低传送设备的负荷； 2 ) 按每种零件剩余批量比例。比例高的零件优先退出f m s ，使零件混合比保 持均衡； 3 ) 按零件的优先级。优先级高的先退出f m s 。 3 1 7 动态调度决策规则的使用 如上所述，规则是一个充满多样性的集合体。对于同一类规则，仍然可细分 为若干条规则，如何合理地应用这些规则是实现系统正确调度的基本前提。例如 对于件投入规则：( 1 ) 动态调度决策规则( 2 ) 零件优先级( 3 ) 夹具优先。究 竟是一次只应用其中一条规则，或者按照优先级排列全部采用，并没有确定的正 确做法。对于不同的系统，可能会要求不同的件投入规则。如何能兼容各个不同 系统的规则要求，是实现仿真平台柔性的重要因素。 解决的基本思路是将规则库从仿真平台系统中独立出来。设计独立的规则库 存储己知所有的调度规则。在仿真平台系统中设计调用接口，能够随时更改系统 调用规则，从而大大增强了仿真的灵活性。 其工作流程如下： 图3 - 3 规则库的使用 面向制造系统的仿真平台研究与开发 系统启动后，如果要开始仿真运行，遵循如下步骤：首先，系统装载需要的 模型布局文件，获得系统相关布局参数和设备参数。并创建初步运控模型。然后， 通过仿真平台规则库接口g u i 界面选择需要的各项运控规则。第三步，系统依据 所选定规则项调用并创建规则对象。第四步，规则库对象加入到初步运控模型， 形成完整的运控模型。 此后，便可以启动仿真运行，运控模块会接手对运控模型进行仿真运行调度。 在仿真过程中，运控模块可以调用规则库调用模块，重新设定并创建规则对象。 3 2 仿真平台总体结构设计 通过仿真来优化制造系统( 如f m s ) 的设计方案或运行过程，已被证明是一 种十分有效的方法。但是，由于现有的f m s 仿真系统存在着建模困难、难扩充、 可重构性差等缺点。在此情形下，研究和开发面向制造系统的仿真平台系统具有 积极的现实意义。 仿真平台系统具有如下特点： 1 含一个仿真建模子系统，可用于可视化交互式建模，系统模型可以被很 容易地更改变动。使得系统仿真建模成为一件极为轻松的工作。 2 具有开放的体系结构，可同时适用于不同的系统模型仿真实验。 3 2 1 仿真平台主系统结构 际翮 l 系统 l i一 仿真平台系统管理( 模型文件读入、策略选择、计划输入等) i 厂 、 建模、策略、 仿夕娶行孵 计划、运行数 据 统计分析与显 剧示输出 图3 4 仿真平台系统结构 南京航空航天大学硕士学位论文 仿真平台的主系统结构如图3 4 所示： 3 2 2 结构和功能概述 ( 1 ) 系统数据管理模块 系统数据管理模块是整个仿真平台的核心部分，它的功能包括建立系统模型、 管理系统模型、与数据库交互、保存和管理系统数据等等。同时它也是数据统计 模块和动画显示模块的数据源提供者。 ( 2 ) 布局设计子系统 用于制造系统仿真建模，是系统的主要功能部件之一，由设备交互式布局、 设备属性的确定、物流与刀具流路径交互式设定等功能一体的功能模块组成。其 生成的系统模型文件用于仿真平台直接生成运控模型。 ( 3 ) 仿真平台系统管理 这是包括g u i 的功能模块，其功能主要是读入布局模型文件、策略规则确定 等，并且包括对仿真中涉及的各项任务切换以及建模数据、加工计划、刀具计划 等静态数据进行集中管理。并区分管理不同f m s 系统或同一f m s 的不同仿真版本 ( 例如因配置、布局、策略、计划等数据变动后排出的不同方案) 的数据。 ( 4 ) 策略选择 仿真平台具有个规则库调用接口，用于确定所需的规则集合，并将其规则 号通知系统数据管理模块调用独立外接的规则库，用户可以在g u i 界面选项框从 中为制造系统仿真运行中的各个决策点选择不同的调度策略或规则，以比较不同 调度方案的优劣。这些策略包含：零件进入系统的策略。零件选择同类机床的排 队策略、机床从队列中挑选零件的策略。零件挑选托盘。零件挑选缓冲站的策略 以及故障处理策略等等。 ( 5 ) 计划输入 计划输入中包括各种生产相关文件。主要有 ( a ) 输入零件生产计划，如表3 2 ： f零件号 0 l0 20 30 40 5 l 需求量( 件天) 2 92 72 33 02 1 ( b ) 零件工艺计划，如表3 3 ： i 零件号工序号 l23456789 i 0 1设备l 2m 2m 4ulm 3m 1u i 工时4 1 12 1341 073 ( c ) 零件的加工计划，即：零件类别标识符、每类零件的总数量、各类零件的 交货期、各类零件在一批中的混合比； ( 6 ) 仿真运行与动画 系统中的仿真运行采用了动态活动调度与事件调度相结合的控制方式。动态 2 l 面向制造系统的仿真平台研究与开发 活动调度基于分级活动表的状态变化，根据表中的当前状态，在调度规则的允许 下，确定系统的下一步动向。事件调度则用于系统各实体的瞬时消息传递，作为 对动态活动调度的补充。 仿真动画可用于直观显示系统运行状况，可分为系统过程动画和单机运行动 画。主要运用w i n d o w s 的动画显示功能，其实时数据来自系统数据区。 ( 7 ) 统计显示 统计部分用于统计和显示系统仿真的各项统计数据，如生产率、设备利用率、 最大等待队长、最长等待时间等，包括统计部分和统计显示部分。统计部分从系 统数据区获取相关数据，并进行分析计算，显示部分将分析计算结果按预定格式 显示给用户。 3 2 3 布局设计子系统 系统建模一直是仿真系统设计的一个瓶颈。长期以来，都是针对特定系统建 立独立的系统模型。一旦系统发生改变，从前的系统模型即告失效，不得不重新 构造新的系统模型，因而浪费了大量的人力物力。